趙彥茜，肖登攀，齊永青，柏會(huì)子

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華北平原不同降水年型和作物種植模式下的產(chǎn)量和耗水模擬

趙彥茜1，肖登攀1※，齊永青2，柏會(huì)子1

（1. 河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所/河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，石家莊 050011；2. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中科院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050021）

華北平原是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，在國家糧食產(chǎn)業(yè)中地位較高，但長期灌溉造成了華北平原地下水資源的嚴(yán)重虧損，地下水位持續(xù)下降。該研究利用APSIM模型對華北平原1986－2015年不同種植模式下的產(chǎn)量和耗水情況進(jìn)行模擬研究，為華北平原調(diào)整作物種植模式、農(nóng)業(yè)水資源管理以及農(nóng)業(yè)發(fā)展政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明：APSIM模型能夠較好地模擬冬小麥和夏玉米的生育期、產(chǎn)量及水分利用特征，其中生育期模擬結(jié)果的誤差在5 d之內(nèi)，產(chǎn)量、ET和下滲量模擬結(jié)果的2均在0.84以上，表明該模型在華北平原具有較好的適用性；在華北平原地區(qū)，冬小麥–夏玉米一年兩熟種植模式（M2Y1）年均產(chǎn)量（13 445 kg/hm2）最高，但耗水量（724 mm）也是最大，水分虧損（233 mm）最為嚴(yán)重；一年一熟種植模式（M1Y1）年均耗水量（534 mm）較小，水分虧損量（43 mm）最少，但產(chǎn)量（9 215 kg/hm2）較低；兩年三熟種植模式（M3Y2）兼顧產(chǎn)量和耗水，在保證一定產(chǎn)量的前提下減少了耗水量，產(chǎn)量耗水綜合效果最好，適合在華北平原推廣實(shí)行。此外，該研究對欒城站豐水年、平水年和枯水年等不同降水年型下的3種種植模式產(chǎn)量耗水特征進(jìn)行了對比分析，研究表明在華北平原降水資源對于作物生長有重要意義，年降水量越大，作物產(chǎn)量越高，水分虧損量越少。

作物；模型；耗水；種植模式；APSIM模型；降水年型；華北平原

0 引 言

華北平原是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，在國家糧食產(chǎn)業(yè)中地位較高，雖然耕地面積只有13.6萬km2，糧食產(chǎn)量占中國糧食總產(chǎn)量的比例卻達(dá)到1/5[1]。冬小麥-夏玉米一年兩熟制是華北平原典型的種植模式[2]，但該地區(qū)大部分區(qū)域的降水量無法滿足一年兩熟制下作物對水分的要求，主要原因在于冬小麥生育期內(nèi)水分虧缺非常嚴(yán)重，即降水不能滿足作物水分需求[3]。華北平原冬小麥生育期內(nèi)多年平均降雨量在150 mm左右，而冬小麥作物耗水量多年平均達(dá)450 mm[4-6]，水分虧缺約為300 mm，需要進(jìn)行多次灌溉來保證產(chǎn)量；而夏玉米生育期內(nèi)降水量300 mm左右，只有適時(shí)播種，自然降水可滿足其對水分的要求，生育期內(nèi)基本不需要灌溉[7]。因此，一年兩熟種植模式下年灌溉量在200～450 mm之間[5]。由于地表水主要被不斷擴(kuò)張的城鎮(zhèn)和工業(yè)區(qū)利用，研究區(qū)農(nóng)業(yè)用水只能靠開采地下水來實(shí)現(xiàn)[8]。長期大量開采地下水，導(dǎo)致研究區(qū)地下水位持續(xù)下降，帶來一系列的生態(tài)環(huán)境問題[1]，同時(shí)在部分區(qū)域形成面積較大的地下水漏斗[9]。

由于地下水過度消耗主要源于過去幾十年高耗水農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，因此，在區(qū)域尺度上實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用，科學(xué)家們普遍認(rèn)為改變作物種植模式是主要途徑。已有一些科學(xué)家們通過田間試驗(yàn)方法評估了不同種植模式的作物產(chǎn)量和耗水特征[10-12]。張敏等[10]在華北平原通過田間定位試驗(yàn)評估了糧棉薯、糧棉油、糧油3種模式替代麥玉模式的可行性，結(jié)果表明替代模式的土壤貯水量整體水平較高，土壤水分變化率相對較小，綜合糧食安全考慮，糧油模式為最優(yōu)替代模式。郭步慶等[11]通過比較華北地區(qū)不同種植模式發(fā)現(xiàn)冬小麥-夏玉米一年兩熟常規(guī)模式具有產(chǎn)量優(yōu)勢，但水分利用率較低，對地下水消耗較大，不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展；春玉米一年一熟模式有助于地下水恢復(fù)，但產(chǎn)量降低太多。劉明等[12]通過在華北平原吳橋試驗(yàn)站進(jìn)行田間試驗(yàn)對比不同種植模式經(jīng)濟(jì)效益和耗水量，研究指出一年兩熟種植模式經(jīng)濟(jì)效益最高，但凈消耗地下水達(dá)到耗水量的27%。雖然田間定位試驗(yàn)通過設(shè)置不同的試驗(yàn)處理可以真實(shí)反映不同種植模式下的作物產(chǎn)量、耗水規(guī)律和水分利用效率等，但往往試驗(yàn)時(shí)間尺度較短（一般為2～3 a）[10-12]，不能整體評估過去幾十年作物種植模式對水資源帶來的累積影響[5,13]。

作物生長模型能夠動(dòng)態(tài)地模擬作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程，可以研究不同作物種植模式下的作物產(chǎn)量、耗水規(guī)律以及水分利用效率，評估過去幾十年不同作物種植模式下作物產(chǎn)量和耗水量的關(guān)系。Sun等[14]利用APSIM模型（agricultural production system simulator model）對華北平原一年兩熟種植模式下作物灌溉耗水問題進(jìn)行了研究，研究表明，即使灌溉強(qiáng)度降低也會(huì)造成很大程度上的地下水消耗。Xiao等[15]利用作物模型對華北平原一年兩熟、兩年三熟和一年一熟等種植模式下的產(chǎn)量和耗水情況進(jìn)行模擬，對比分析了不同種植模式下的產(chǎn)量和耗水特征，結(jié)果表明，不同種植模式產(chǎn)量耗水差異明顯，一年兩熟種植模式年均地下水超采量達(dá)260 mm左右，但該研究并未考慮不同降水年型下自然降雨對各作物種植模式產(chǎn)量和耗水的影響。

因此，本研究結(jié)合田間定位試驗(yàn)和作物機(jī)理模型（APSIM）定量評估過去30 a不同作物種植模式下的作物產(chǎn)量和耗水特征，以及對地下水影響；并在此基礎(chǔ)上，深入分析不同降雨年型下不同作物種植模式的產(chǎn)量效益和耗水特征，旨在更為準(zhǔn)確地評估不同降雨情景下改變作物種植模式帶來的產(chǎn)量變化和節(jié)水潛力。其研究結(jié)果可以為研究區(qū)制定合理的種植模式提供理論指導(dǎo)和決策依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

華北平原東鄰渤海，西靠太行山，南抵黃河，北接燕山，總面積約13.6萬km2，地勢平坦，土層深厚，大部分區(qū)域海拔在50 m以下，適合多種農(nóng)作物生長，是中國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)。

本研究中的觀測數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站，該地位于河北省石家莊市欒城區(qū)，地處114°41′E，37°53′N，海拔50.1 m，年均降水量400～550 mm，其中7～9月為雨季，降水量300～360 mm，占年降水量60%以上，年均溫10～13 ℃，年均日照在2 400～3 100 h之間，無霜期180～230 d，主要作物種植模式為冬小麥–夏玉米一年兩熟制。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1）氣象數(shù)據(jù)

本研究試驗(yàn)所需的氣象數(shù)據(jù)包括最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、降雨量、日照時(shí)數(shù)等，均來源于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場。基于試驗(yàn)站的經(jīng)度、緯度、海拔高度等數(shù)據(jù)，應(yīng)用FAO Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物蒸散量ET0，公式如下：

式中ET0表示日參考作物蒸散量，mm/d；為飽和水汽壓溫度曲線上的斜率，kPa/℃；表示平均氣溫，℃；R表示凈輻射，MJ/(m2·d)；為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；e與e分別是氣溫為時(shí)的飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，kPa，2為高度2 m處理的風(fēng)速，m/s。

2）土壤數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù)主要包括土壤各分層容重、飽和體積含水量、萎蔫系數(shù)、風(fēng)干系數(shù)等土壤理化特性數(shù)據(jù)，以及0～180 cm測深的土壤含水量和下滲量。土壤理化特性數(shù)據(jù)是由試驗(yàn)站大田試驗(yàn)測定，0～180 cm測深的土壤含水量由中子儀測定，下滲量則是根據(jù)土壤含水量、降水量等數(shù)據(jù)，應(yīng)用土壤水平衡公式計(jì)算。

=SWD++?ET?（2）

式中為水分下滲量，mm；SWD為0～180 cm土層的土壤水分消耗量，mm，即從播種到收獲0～180 cm土層土壤儲水量的變化；為灌溉量，mm；為降雨量，mm；ET為作物實(shí)際耗水量，mm；為地表徑流量，mm，試驗(yàn)期間沒有發(fā)現(xiàn)地表徑流，默認(rèn)為0。

3）作物數(shù)據(jù)

作物數(shù)據(jù)來自于田間試驗(yàn)觀測，主要包括冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量、播種期、開花期、成熟期等數(shù)據(jù)。

1.3 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

冬小麥-夏玉米一年兩熟定位種植試驗(yàn)在欒城站水分池完成。水分池是根據(jù)FAO標(biāo)準(zhǔn)建立而成，共分為16個(gè)小區(qū)，總面積800 m2。每個(gè)小區(qū)5 m×10 m，深1.5 m，四周用厚0.245 m墻壁分隔，用水泥混合防水劑抹壁，防止水分的側(cè)向滲漏。定位試驗(yàn)共有5個(gè)處理，分別為正常灌溉處理、干旱處理、和3個(gè)不同生育期（返青期、拔節(jié)期和灌漿期）水分脅迫處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。其中，正常灌溉處理下灌溉次數(shù)與灌溉量與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民實(shí)施的灌溉管理水平一致，冬小麥主要在越冬期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期共灌溉4次，每次約60～80 mm；玉米一般在播種期和拔節(jié)期灌溉2次，每次約40～60 mm；干旱處理指為保證小麥安全越冬和玉米正常出苗進(jìn)行灌溉外，其他時(shí)期不進(jìn)行灌溉；3個(gè)不同生育期水分脅迫處理是指在相應(yīng)生育期不進(jìn)行灌溉外，其他時(shí)期灌溉同正常灌溉一致。本研究主要選取正常灌溉處理?xiàng)l件下的相關(guān)數(shù)據(jù)，其時(shí)間段為2010－2013年。通常情況下，冬小麥播種期為10月中上旬，收獲期為6月中上旬；夏玉米播種期為6月中旬，收獲期在9月底。冬小麥品種為科農(nóng)199，夏玉米品種為鄭單958。

早播玉米定位試驗(yàn)[10]在相鄰試驗(yàn)地進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)期為2014―2015年，其品種為先玉335，播種日期在5月中上旬，較夏玉米提前一個(gè)月左右，收獲期在9月底。灌溉次數(shù)和灌溉量依據(jù)當(dāng)年降水量確定，一般灌溉次數(shù)為2次，灌溉量在80～120 mm左右，與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民實(shí)施的灌溉管理水平一致。

1.4 APSIM模型介紹與模擬設(shè)計(jì)

APSIM模型是一種可用于模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中各主要組成部分的機(jī)理模型，它是由澳大利亞的聯(lián)邦科工組織以及昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組（APSRU）所開發(fā)建立的作物模型[16-17]。APSIM模型建立最初的目的是在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)里進(jìn)行長期資源管理試驗(yàn)時(shí)，對在氣候變化、作物的遺傳特征、土壤環(huán)境以及管理措施等因子影響下的作物生產(chǎn)力提供一個(gè)更準(zhǔn)確的預(yù)測[18]。APSIM模型具有較強(qiáng)機(jī)理基礎(chǔ)，在作物種植模式、輪作的作物生理生態(tài)機(jī)理等方面具有較好的模擬能力，在結(jié)構(gòu)和軟件操作等方面都有很大程度的更新，因此得以在全世界得到廣泛應(yīng)用[19]。在國內(nèi)，已有許多學(xué)者在不同地區(qū)對APSIM模型進(jìn)行了適宜性評價(jià)，一致認(rèn)為APSIM模型在中國具有較好的模擬水平[20-21]。

本研究基于欒城站氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等資料，利用APSIM模型模擬了3種不同種植模式設(shè)計(jì)下1986―2015年的產(chǎn)量耗水情況（表1），種植模式設(shè)計(jì)如下：

表1 不同種植模式情景設(shè)計(jì)

1.5 降水年型劃分

為了研究河北山前平原降水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，根據(jù)欒城站試驗(yàn)區(qū)的降水資料對該地區(qū)的降水年型進(jìn)行了分類，采用的標(biāo)準(zhǔn)為國內(nèi)常用的降水保證率分類標(biāo)準(zhǔn)[22-23]。降水保證率表示降水量某一界限值出現(xiàn)的可靠程度，本文根據(jù)降水保證率將降水年份劃分為不同的年型：25%保證率的降水年份為濕潤年，50%保證率的降水年份作為平水年，75％保證率的降水年份為干旱年。

1.6 模型校正方法

APSIM模型在澳大利亞的地中海氣候區(qū)[24]、美國溫帶大陸性氣候區(qū)[25]以及一些東南亞國家的熱帶濕潤性氣候區(qū)[26]都有應(yīng)用，且效果較好。從2000年到現(xiàn)在，國內(nèi)對APSIM模型的應(yīng)用研究漸趨增多，模型本土化進(jìn)一步發(fā)展，但在應(yīng)用到具體地區(qū)時(shí)仍必須在站點(diǎn)水平上對模型進(jìn)行校正，對模型適應(yīng)性進(jìn)行評價(jià)。作物模型的校正主要是對品種參數(shù)的調(diào)整，校正方法通常是以下幾個(gè)指標(biāo)：相關(guān)系數(shù)或決定系數(shù)2，均方根誤差RMSE，歸一化均方根誤差NRMSE，模型有效參數(shù)ME，一致性指數(shù)。本文研究中校正使用指標(biāo)為決定系數(shù)2和均方根誤差RMSE，公式如下

2 結(jié)果與分析

2.1 APSIM模型參數(shù)和校正

APSIM模型作物參數(shù)需要根據(jù)具體地區(qū)田間觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行校正，本研究使用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站2010―2013年的觀測數(shù)據(jù)。APSIM模型作物屬性模塊主要包括研究區(qū)域內(nèi)冬小麥和夏玉米品種遺傳特性以及產(chǎn)量形成等相關(guān)參數(shù)（表2），早播玉米品種為先玉335（表2），作物參數(shù)來源于參考文獻(xiàn)[15]。

表2 冬小麥、夏玉米和早播玉米作物參數(shù)

通過對模型模擬的生育期、產(chǎn)量、ET和下滲量與實(shí)測值對比分析表明，APSIM模型能夠有效模擬冬小麥和夏玉米的生育期、產(chǎn)量、ET和下滲量。冬小麥和夏玉米2010－2013年的開花期和成熟期模擬結(jié)果誤差在?5～5 d之間，誤差較?。ū?）；冬小麥產(chǎn)量模擬結(jié)果的RMSE和2分別為384 kg/hm2和0.85，ET分別為13 mm和0.84，下滲量分別為12 mm和0.95；夏玉米產(chǎn)量模擬結(jié)果的RMSE和2分別為573 kg/hm2和0.96，ET分別為29 mm和0.91，下滲量分別為33 mm和0.87（圖1）。冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的2在0.85～0.96之間，ET的2在0.84～0.91之間，下滲量的2在0.87～0.95之間，產(chǎn)量、ET和下滲量的2均在0.84以上，模擬值與觀測值擬合效果較好，說明APSIM模型在華北平原有較好的適用性。

表3 欒城站冬小麥和夏玉米生育期觀測值與APSIM模型模擬值對比

圖1 APSIM模型模擬冬小麥和夏玉米產(chǎn)量、ET和下滲量驗(yàn)證

2.2 不同種植模式產(chǎn)量耗水對比分析

本研究在對APSIM模型參數(shù)進(jìn)行校正后，利用模型模擬了1986―2015年華北平原一年兩熟、兩年三熟和一年一熟3種種植模式下的產(chǎn)量耗水狀況（圖2）。

圖2 不同種植模式產(chǎn)量耗水情況

結(jié)果表明，一年兩熟模擬情況下，年總和多年平均產(chǎn)量、ET、下滲量和虧損量（虧損量=ET–降水量）分別為13 445 kg/hm2、724 mm、172 mm和233 mm；兩年三熟模擬情況下，年總和多年平均產(chǎn)量、ET、下滲量和虧損量分別為11 076 kg/hm2、631 mm、148 mm和138 mm；早播玉米多年平均產(chǎn)量、ET、下滲量和虧損量分別為9 215 kg/hm2、534 mm、106 mm和43 mm。一年兩熟年產(chǎn)量達(dá)13 445 kg/hm2，產(chǎn)量最高，其次是兩年三熟產(chǎn)量11 076 kg/hm2，一年一熟年產(chǎn)量最低，為9 215 kg/hm2，呈?2 000 kg/hm2的遞減趨勢；ET與產(chǎn)量相對應(yīng)，大小為一年兩熟724 mm>兩年三熟631 mm>一年一熟534 mm，表現(xiàn)為?100 mm的遞減趨勢；由圖2可看出，3種種植模式的下滲量與虧損量同產(chǎn)量和ET的變化趨勢較為一致，均呈一年兩熟>兩年三熟>一年一熟的遞減趨勢，下滲量遞減趨勢不顯著，虧損量遞減趨勢與ET相近，為?100 mm。通過3種種植模式產(chǎn)量耗水情況對比可以看出，一年兩熟種植模式是在大量消耗地下水的基礎(chǔ)上去保證產(chǎn)量，兩年三熟和一年一熟則是通過改變作物種植結(jié)構(gòu)，減少作物產(chǎn)量，降低ET，進(jìn)而減少對地下水資源的消耗，達(dá)到農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的目的。不同種植模式下產(chǎn)量耗水情況的差異主要與冬小麥的種植相關(guān)。傳統(tǒng)的一年兩熟種植模式下冬小麥年均耗水在400 mm以上，而小麥生育期年均降水量不到140 mm，虧損量超過260 mm。降水與作物需水的不匹配導(dǎo)致灌溉用水增加，地下水虧損嚴(yán)重，地下水位下降，不利于華北平原地下水資源的持續(xù)利用。

綜上所述，在華北平原地區(qū)，一年兩熟種植模式年均產(chǎn)量最高，但耗水量大，水分虧損最為嚴(yán)重；一年一熟種植模式耗水量較小，水分虧損最少，但產(chǎn)量較低；兩年三熟種植模式兼顧產(chǎn)量和耗水，在保證一定產(chǎn)量的前提下減少了耗水量，產(chǎn)量耗水綜合效果最好，適合在華北平原推廣實(shí)行。

2.3 不同降水年型下不同種植模式產(chǎn)量耗水情況對比

本研究采用降水保證率分類標(biāo)準(zhǔn)對欒城站小麥季、玉米季和全年的降水年型進(jìn)行了劃分（圖3），劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：欒城站小麥季降水量豐水年閾值為170 mm，平水年閾值為136 mm，枯水年閾值為105 mm；玉米季降水量豐水年閾值為400 mm，平水年閾值為355 mm，枯水年閾值為250 mm；全年降水量豐水年閾值為570 mm，平水年閾值為491 mm，枯水年閾值為400 mm。由閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)可以看出，豐水年、平水年和枯水年的降水量差異較為明顯，分析不同降水年型的產(chǎn)量耗水情況對于研究降水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的作用意義較大。

圖3 降水年型分類

本研究基于1986―2015年APSIM模型的產(chǎn)量耗水模擬結(jié)果并結(jié)合降水年型的分類，對欒城站豐水年（WY）、平水年（MY）和枯水年（DY）的產(chǎn)量耗水情況（表4）進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，在華北平原，降水量和降水量季節(jié)分配對作物產(chǎn)量與耗水影響顯著，降水資源對于區(qū)域作物生長有重要意義。

表4 不同降水年型下不同種植模式年均產(chǎn)量耗水情況

從產(chǎn)量情況上看，欒城站一年兩熟、兩年三熟和一年一熟種植模式下普遍為豐水年年均產(chǎn)量>平水年年均產(chǎn)量>枯水年年均產(chǎn)量，小麥產(chǎn)量和玉米產(chǎn)量與年均產(chǎn)量特征一致（一年兩熟的玉米產(chǎn)量和兩年三熟的小麥產(chǎn)量除外，這主要受一些極端氣候條件以及種植結(jié)構(gòu)等因素影響，例如2009年的玉米季的大暴雨等）；不同種植模式在不同年型下的年均產(chǎn)量變化幅度差異較大，一年兩熟年均產(chǎn)量豐水年與枯水年差值為1 000 kg/hm2，兩年三熟為2 000 kg/hm2，一年一熟產(chǎn)量差值則接近3 000 kg/hm2，這一差異凸顯出了玉米產(chǎn)量的波動(dòng)幅度要大于小麥產(chǎn)量的變化幅度。

從作物耗水情況上看，同一種種植模式下不同降水年型ET差異較小，但不同種植模式ET差別較大，一年兩熟模式下小麥、玉米和年總和ET分別大致為400、320、720 mm；兩年三熟模式下玉米ET大致為390 mm，而平水年與枯水年的小麥和年總和ET分別大致為230和620 mm，豐水年分別為290和670 mm；一年一熟模式下小麥、玉米和年總和ET分別大致在70～130、430～450、500～560 mm之間，這主要與種植模式的種植作物以及作物產(chǎn)量有關(guān)。

從下滲和虧損情況上看，下滲量在不同降水年型下差異明顯，與降水量呈顯著正相關(guān)；虧損量與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。上述結(jié)果分析表明，降水資源不僅對產(chǎn)量有重要影響，與下滲量和虧損量也呈顯著相關(guān)：降水量較大的年份，產(chǎn)量較高，水分虧損量相對較少。

3 討 論

在20世紀(jì)70年代前，華北平原主要的種植模式為一年一熟和兩年三熟，70年代后，隨著糧食需求的急劇增長和灌溉設(shè)施的改善，冬小麥–夏玉米一年兩熟種植模式成為該地區(qū)典型的種植模式[2]。高強(qiáng)度的種植模式對當(dāng)時(shí)糧食問題的解決做出了重大貢獻(xiàn)，但產(chǎn)量增加背后也帶來一系列的問題，比如地下水加速消耗、生態(tài)環(huán)境惡化等[27-28]，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水資源可持續(xù)利用之間的矛盾越來越突出[29]。

許多學(xué)者研究了在保持傳統(tǒng)種植模式基礎(chǔ)上減少灌溉量、改變灌溉措施以降低地下水開采強(qiáng)度的可行性。陳素英等[30]通過研究旱作條件下不同種植模式的產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益以及水分利用效率，探索華北平原水資源短缺地區(qū)旱作條件下的節(jié)水種植模式，為地下水開采強(qiáng)度研究提供技術(shù)支撐。裴宏偉等[31]通過對華北平原的冬小麥設(shè)置不同的灌溉處理（分別為旱作處理、正常灌溉處理、返青水脅迫處理、拔節(jié)抽穗水脅迫處理和灌漿水脅迫處理），研究分析了不同灌溉條件下的冬小麥產(chǎn)量耗水等情況，結(jié)果表明，灌溉量對于小麥產(chǎn)量的增加具有明顯的正效應(yīng)，正常灌溉條件下產(chǎn)量最高，但耗水量最大，旱作條件下產(chǎn)量和耗水量均為最低，其余水分脅迫處理?xiàng)l件下產(chǎn)量和耗水量較正常灌溉條件下的產(chǎn)量和耗水均有不同程度減少，但幅度不大。

傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉措施在一定程度上能夠減少地下水的消耗強(qiáng)度，但不能從根本上扭轉(zhuǎn)地下水超采的局面[13]。事實(shí)上，各類節(jié)水灌溉措施得以推廣，典型地區(qū)的地下水下降速率并未實(shí)質(zhì)性減緩[8]。雖然有節(jié)水措施的加入，但糧食單產(chǎn)水平不斷提高，農(nóng)作物田間水分蒸散量持續(xù)增加，盡管作物水分利用效率有所提高，但總的實(shí)際耗水量依舊呈持續(xù)增加趨勢[4,32]。因此，單純依靠節(jié)水灌溉來實(shí)現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用是行不通的[33]。即使考慮南水北調(diào)中、東線工程實(shí)施后，其調(diào)水量也只能適度緩解河北平原的水困境，仍無法根本扭轉(zhuǎn)惡化趨勢。限于水資源現(xiàn)狀，必須從地下水消耗權(quán)重最大的農(nóng)業(yè)部門入手。區(qū)域農(nóng)作制度應(yīng)該放棄只追求高產(chǎn)目標(biāo)以期減少對水資源的消耗，調(diào)整作物種植模式，壓縮高耗水作物面積，才能實(shí)現(xiàn)大幅減少地下水消耗的局面[1,34]。

一些研究者通過田間試驗(yàn)對比分析不同作物種植模式下的作物產(chǎn)量和耗水特征。劉明等[35]以華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟制、冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟制和春玉米一年一熟制輪作體系為對象，研究了不同種植制度下作物的產(chǎn)量以及土壤水分動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明，不同種植制度在產(chǎn)量耗水方面差異顯著，一年兩熟制下作物的產(chǎn)量和耗水量均顯著高于兩年三熟制和一年兩熟制，但是降雨量僅能滿足總耗水量的72.9%，仍需較多地下水補(bǔ)充灌溉，兩年三熟制降雨量能夠滿足作物耗水量80.4%，但產(chǎn)量和耗水量較一年兩熟制分別減少23.1%和12.0%，一年一熟制降雨量能夠滿足作物耗水量的89.2%，而產(chǎn)量和耗水量較一年兩熟制則分別減少45.2%和27.3%。郭步慶等[11]于2007－2009年在河北省中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋試驗(yàn)站進(jìn)行田間定位試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置的3個(gè)種植模式分別為冬小麥-夏玉米一年兩熟模式、春玉米一年一熟模式和冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟模式，探討華北地區(qū)通過調(diào)整種植模式的途徑實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的潛力，研究表明，一年兩熟種植模式年均產(chǎn)量為13 004.5 kg/hm2，遠(yuǎn)高于兩年三熟和一年一熟種植模式，但一年兩熟耗水量也是最多的，年均耗水達(dá)到742 mm，而一年一熟和兩年三熟模式耗水較一年兩熟模式分別減少了29%和45%。本研究中不同降水年型下，一年兩熟、兩年三熟和一年一熟種植模式下產(chǎn)量情況普遍為豐水年年均產(chǎn)量>平水年年均產(chǎn)量>枯水年年均產(chǎn)量，不同降水年型的年均產(chǎn)量變化幅度差異較大，一年兩熟年均產(chǎn)量豐水年與枯水年差值達(dá)1 000 kg/hm2左右，兩年三熟的產(chǎn)量差值達(dá)2 000 kg/hm2左右，一年一熟產(chǎn)量差值更接近3 000 kg/hm2，這一差異突顯出了玉米產(chǎn)量受降水資源影響更大，其波動(dòng)幅度要大于小麥產(chǎn)量的變化幅度；不同降水年型的耗水量差異較小，這主要是由于正常灌溉條件下灌溉量滿足了作物生長的水分需求，但降水量小的年份，對地下水的補(bǔ)充不足，土壤水分虧損相對嚴(yán)重。對不同降水年型下不同作物種植模式的產(chǎn)量效益和水分動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行深入分析，可以更為準(zhǔn)確地評估不同降水情景下改變作物種植模式帶來的產(chǎn)量變化和節(jié)水潛力，這對于灌溉政策和種植模式的調(diào)整具有重要意義。作物模型模擬結(jié)果與上述試驗(yàn)結(jié)果得出了較為一致的結(jié)論：一年兩熟產(chǎn)量和耗水量均高于其他2種種植模式，一年一熟種植模式對地下水的消耗最少。但田間試驗(yàn)結(jié)果只能反映固定時(shí)間段內(nèi)的結(jié)果，既無法反映過去幾十年作物生長和土壤水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，也不能反映不同降水年型下降水對作物生長的影響。

人們通常會(huì)擔(dān)心傳統(tǒng)的冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式改變成兩年三熟或者一年一熟種植模式會(huì)造成冬小麥產(chǎn)量的減少，影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和人們的生活水平。但事實(shí)上人們的消費(fèi)模式已經(jīng)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)生了明顯變化。人們對動(dòng)物蛋白的需求逐漸上升，對小麥、水稻等主糧作物需求逐漸下降，這導(dǎo)致玉米（作為動(dòng)物飼料）的需求大幅增加[36]。另外，農(nóng)村大量勞動(dòng)力向城市的轉(zhuǎn)移，使得一年兩熟種植模式只有在糧食產(chǎn)量高、收益好，可以抵消投入成本的前提下才具有種植意義[37]。由于投入的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本提高和糧食收益偏低，華北地區(qū)冬小麥種植面積正在逐步減少[38]。王學(xué)等[39]對地下水超采嚴(yán)重的河北平原地區(qū)冬小麥種植面積變化趨勢進(jìn)行調(diào)查分析，指出1998―2010年間冬小麥種植面積呈減少趨勢，種植面積下降約16%，其中，北部京津唐地區(qū)最明顯，下降超過了47%。

4 結(jié) 論

本研究利用APSIM模型對華北平原1986―2015年不同種植模式下的產(chǎn)量和耗水進(jìn)行模擬分析，為華北平原糧食作物種植模式調(diào)整、農(nóng)業(yè)水資源管理以及農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)，最終得出以下結(jié)論：

1）通過對APSIM模型模擬的生育期、產(chǎn)量、ET和下滲量與實(shí)測值對比分析表明，APSIM模型能夠較好地模擬冬小麥和夏玉米的生育期、產(chǎn)量及水分利用特征，其中生育期模擬結(jié)果的誤差在5 d之內(nèi)，冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的2在0.85～0.96之間，ET的2在0.84～0.91之間，下滲量的2在0.87～0.95之間，產(chǎn)量、ET和下滲量模擬結(jié)果的2均在0.84以上，表明該模型在華北平原有較好的適用性。

2）由3種種植模式產(chǎn)量耗水情況研究分析表明，在華北平原地區(qū)，冬小麥–夏玉米一年兩熟種植模式年均產(chǎn)量（13 445 kg/hm2）最高，但耗水量（724 mm）也是最大，水分虧損（233 mm）最為嚴(yán)重；一年一熟種植模式年均耗水量（534 mm）較小，水分虧損量（43 mm）最少，但產(chǎn)量（9 215 kg/hm2）較低；兩年三熟種植模式兼顧產(chǎn)量（11 076 kg/hm2）和耗水（631 mm），在保證一定產(chǎn)量的前提下減少了耗水量，產(chǎn)量耗水綜合效果最好，適合在華北平原推廣實(shí)行。

3）研究基于1986－2015年APSIM模型的產(chǎn)量耗水模擬結(jié)果并結(jié)合降水年型的分類，對欒城站豐水年、平水年和枯水年的產(chǎn)量耗水情況進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，在華北平原，不同種植模式在不同年型下的年均產(chǎn)量變化幅度差異較大，一年兩熟年均產(chǎn)量豐水年與枯水年差值為1 000 kg/hm2左右，兩年三熟為2 000 kg/hm2左右，一年一熟產(chǎn)量差值則接近3 000 kg/hm2，降水量和降水量季節(jié)分配對作物產(chǎn)量與耗水影響顯著，降水資源對于區(qū)域作物生長有重要意義。降水資源不僅對產(chǎn)量有重要影響，與下滲量和虧損量也呈顯著相關(guān)，年降水量越大，作物產(chǎn)量越高，水分虧損量越少。

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Crop yield and water consumption of different cropping patterns under different precipitation years in North China Plain

Zhao Yanxi1, Xiao Dengpan1※, Qi Yongqing2, Bai Huizi1

(1.050011; 2.,050021,)

North China Plain is the important grain production base in China, and the status in the national food industry is very high. However, long-term irrigation has caused heavy losses of groundwater resources in North China Plain, and then groundwater level continues to decline. Crop model can simulate crop growth in a variety of simulation scenarios based on the present research experiments, predict some unknown risks, optimize the management measures of agricultural resources and provide scientific guidance for management of agricultural production. APSIM (agricultural production system simulator model) model is just typical representative of crop model. Therefore, the study used APSIM model to simulate the yield and water consumption situation under different cropping patterns in North China Plain during 1986－2015, to provide scientific basis for adjusting crop planting pattern, agricultural water resource management and agricultural development policy formulation in North China Plain. The results showed that APSIM model could well simulate the winter wheat and summer maize growth period, yield and water use characteristics. The error of crop growth period simulation results was within 5 d, and the2values of production, ET and drain simulation results were above 0.84. The results proved that the model had better applicability in North China Plain; the annual yield of wheat-maize double-cropping system (M2Y1) was 13 445 kg/hm2, followed by the yield of 11 076 kg/hm2for the two-year cropping pattern of winter wheat/summer maize/early maize (M3Y2), and the lowest yield per year was 9 215 kg/hm2for early maize one-year cropping pattern (M1Y1) with the decreasing trend of -2 000 kg/hm2. The trend of ET corresponding to yield was 724 mm (M2Y1) > 631 mm (M3Y2) > 534 mm (M1Y1), while the decreasing trend was -100 mm. The quantity of drain and overdraft of M2Y1, M3Y2 and M1Y1 all decreased, but the decreasing trend of drain was not significant while the decreasing trend of overdraft was similar to that of ET, which was ?100 mm. Comparing yield and water consumption of 3 cropping patterns, we can know that the difference of water consumption in different cropping patterns was mainly related to the growth of winter wheat. The average annual water consumption of winter wheat was over 400 mm, while the average annual precipitation of wheat growth period was less than 140 mm and the overdraft exceeded 260 mm. The mismatch between precipitation and crop water demand leads to irrigation water increase, serious groundwater loss and lower groundwater level, which is not conducive to the sustainable utilization of groundwater resources in North China Plain. In conclusion, wheat-maize double-cropping system had not only the highest annual output, but high water consumption and the most serious water loss in North China Plain; two-year cropping pattern of winter wheat/summer maize/early maize gave consideration to yield and water consumption, and the comprehensive effect of yield and water consumption was the best. In addition, this study compared yield and water consumption of different cropping patterns under different precipitation years in Luancheng, Hebei, which proved that precipitation resources are of great significance to the growth of crops, while the yield was higher and the water loss was relatively small in the year of high precipitation.

crops; models; water consumption; cropping pattern; APSIM model; precipitation year; North China Plain

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.014

S153.6+1

A

1002-6819(2018)-20-0108-09

2018-04-02

2018-08-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41401104）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（D2015302017）

趙彥茜，實(shí)習(xí)研究員，主要從事作物模型應(yīng)用研究。Email：18233181223@163.com

肖登攀，博士，副研究員，主要從事氣候變化與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。Email：xiaodengpan168@163.com

趙彥茜，肖登攀，齊永青，柏會(huì)子. 華北平原不同降水年型和作物種植模式下的產(chǎn)量和耗水模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(20)：108－116. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.014 http://www.tcsae.org

Zhao Yanxi, Xiao Dengpan, Qi Yongqing, Bai Huizi. Crop yield and water consumption of different cropping patterns under different precipitation years in North China Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 108－116. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.014 http://www.tcsae.org